Датчик температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K11/24 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам контроля температуры с преобразователями поверхностных акустических волн ПАВ), и может быть использовано, в часности, в бортовой аппаратуре транспортных средствs например автомобилей.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения температуры.

На фиг.1 показан датчик температуры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1г на фиг.3-7 - варианты предлагаемого датчика температуры, разрез.

Датчик температуры (фиг.1) содержит звукопровод 1, ни поверхности которого размещена структура на ПАВ 2 (линия задержки на ПАВ или ПАВ-ре зонатор). По внешнему контуру звукепровода 1 непосредственно в его маФериале выполнены Г-образные выступы 3, посредством которых звукопровод 1 с помощью, например, легкоплавких стекол либо другого связующего вещества. 4 жестко соединен с крьшкой 5 корпуса. При это%1 звукопровод 1 является одновременно основанием корпуса. Объем 6 датчика над поверхностью распространения ПАВ в звукоп15оводе 1 вакуумируется. На ПАВ-стру туре 2 путем ее включения в цепь обратной связи усипителя (не доказан) образован ПАВ-генератор.

Процесс измерения температуры препредлагаемым датчиком осуществляется следующим образом.

Частота, при которой происходит возбуждение ПАВ-генератора на оскове ПАВ-структуры 2, в частности линия задержки на ПАВ, определяется вывыражением

(1)

где п- 1, 2, 3 ,..- целое, определяющее модуль колебания; суммарный фазовый сдвиг в: цепяк усилителя, входном И выходном ВШП; Т - акустическая задержка ПАВ

при ее распространении в ПАВструк туре 2,

Изменение температуры: контролируемой среды, в которую помещается датчик, и, следовательно, температуры звукопровода I приводит к девации «ыходной частоты f ПАВ-генератора

вследствие изменения величины акустической задержки ПАВ Г что связано, в свою очередьS с температурой зазисш-юстью скорости ПАВ и йзменением геометрическ1-гл размеров зву копровода 1«

Частотно-температурная характеристика f.i ПАВ-генератора на основе звукопровода. 1 из, например монокристаллического юзарца определяется выршкением

(,,, f ,-0(т-JJ :т-т,Я

(2)

,.. о J

где jj, - текпературные коэффициенты частоты i-ro порядка, измаранные при опорной температуре Т 25 С,,

f. В ч-астности,, для кварца LST-Cpe3 U 28-loS (С): ; 40 ( ; для Y-среза: 23-ю (°С)- , , (С) . Таким образом, изменение

3 температуры контролируемой среды сопровождается практически линейным изменением частоты датчика.

Положительньй эффект, достигаемьй за счет применения предлагаемого

Q решения, можно пояснить следующим образом,

Поскольку соединениекрьЛжи 5 корпуса - звукопровод } с помощью связующего вещества 4 является жестким , 5 (что необходимо для вакуумирования поверхности распространения ПАВ), из-за разности в температурных коэффициентах расширения (ТКР) соединяемых материалов в области соединения

0 возникают значительные механические i напряжения и деформации. Разница в ТКР может быть обусловлена использованием крышки 5 с ТКР, отличным от ТКР звукопровода 1 , либо различаS ется ТКР связующего вещества 4. Однако даже при выполнении крышки 5 из того же материала, что и звукопро- вод 1 i, например из монокристалличес-кого кварца, невозможно получить сво50 бедное от термонапряжений соединение, поскольку связующее вещество 4 всегда имеет изотропный независящий от направления ТКР, а монокварц обладает значительной анизотропией теп55 ловых свойств (ТКР кварца, вдоль, / например, z и Xj, осей, отличается в

г б

2 раза - соответственно 14 10

и

2ю ГС)-). Таким образом, при изменении тем пературы ДТ в области соединения материале звукопровода 1 возникают механические деформации, максимальная которых определяется как S Дс лТ, (3) где л с/- разница в ТКР. Требуемое максимальное изменени линейного размера (удлинение или укорочение), необходимое для исключе ния термодеформации подложки из-за рассогласования в ТКР, на основании (3) 1„ йЫ л Т, где 1д - некоторый постояниьй для данного датчика размер, определяемый его конкретной конструкцией и линейными размерами. В случае сплошной однородной пло кой подложки - звукопровода 1 проис ходило бы распространение термодеформаций и напряжений .по всему звукопроводу I, в том числе в область размещения ПАВ-структуры. В результате наблкщался бы дрейф выходной частоты датчика и резкое снижение точности измерения. Однако в предлагаемом датчике по периметру звукопровода 1 выполнены Г-образные выступы 3. Зона соединения 4 связана с основной частью звукопровода 1, где размещена ПАВструктура 2, посредством этих высту пов . При передаче термонапряжений из области соединения 4 к обдасти звукопровода 1 с ПАВ-структурой 2 как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях (по отношению к поверхности распространения ПАВ), одно или одновременно оба плеча Г-образного выступа 3 работают прей мущественно на изгиб, подобно консольно закрепленной пластинке. В этом случае даже при небольших термически вызванньк усилиях происходи значительная деформация Г-образных вькгтупов 3 и необходимая величина макс накапливается за счет деформации, преимущественно изгиба, Г-об разных выступов. В результате в предлагаемом датч ке удается развязать имеющую значительные термонапряжения вследствие рассогласования ТКР зону соединения от области звукопровода 1, где размещена ПАВ-структура 2, и исключить таким образом появление в ней этих термонапряжений и связанного с ними дрейфа выходной частоты датчика, повысив тем самым точность измерения. Для получения качественной герметизации датчика требуется жесткое соединение, достигаемое с помощью композиций на основе легкоплавких : стекол, эвтектических слоев, пайки припоями, сварки и т.д. Предлагаемая конструкция позволяет осуществить жесткое соединение крышки корпуса 5 непосредственно со звукопроводом 1, избежав при этом термодеформаций ПАВструктуры 2 вследствие неизбежного рассогласования ТКР в зоне соединег. ния. В результате вакуумирования 6 датчика над поверхностью расг. пространения ПАВ-резко замедляется процесс старения ПАВ-структуры 2 и улучшается долговременная стабильность датчика. Кроме того, предлагаемый датчик имеет иизкую тепловую инерционность и высокое быстродействие, поскольку пол основания корпуса может выполнять звукопровод 1 (см. фиг.1), в результате чего осуществляется непосредственное контактирование измеряемой среды с чувствительным элементом датчика (при этом поверхность распространения ПАВ остается вакуумированнрй). S Предлагаемьй датчик при необходимости может быть снабжен и отдельным основанием (фиг.1) , т.е. полностью заключен в отдельный корпус. В этом случае эластичный клей 7 целесообразно размещать в областях Г-образных выступов 3. Такой датчик при росте устойчивости к внешним воздействиям сохраняет его достоинства предыдущей конструкции за исключением увеличения тепловой инерционности. Наряду с представленной на фиг.1 конструкцией датчика могут быть использованы варианты его выполнения Сфиг.4-7). В частности, конструкция фиг.5 позволяет производить операции по формированию Г-образных выступов 3 и процесс соединения со стороны, противоположной поверхности размещения ПАВ-структуры 2, тем самым снижая вероятность ее повреждения. Вариант фиг.6 является более технологичным, поскольку все операШ™ j в том числе соединение с крьппкой 5 корпуса, производятся со стороны размещения структур на ПАВ 2, Конструкция фиг.7 представляет собой вырозеденный случай предлагаемого датчика, когда два Г-о0разных паза сливаются в один общий Т-образный выступ. Поскольку к качеству обработки и точнйсти размеров выступов 3 не предявляется жестких требований, они легко могут быть сформированы методом хи мического травления,фрезерования и т.д Требуемые геометрические размеры выступов могут быть рассчитаны для данной конструкции датчика на основе известных соотношений теории упругоети.при условии, чтоба они обеспечивали компенсацмо определяемой (4) величины йС.,„ . Однако обычно ад таточно выполнение соотношения для хотя бы.одного из плеч Г-образного выступа фиг.6: d/h . D/H, h 0,3H в предложении, что второе плечо выступа имеет ширину h и длину 0,5Н, где D длина части вукопровода 1 без выступов в рассматриваемом направлении; Н - толщина этой части звукопровода. Формула и :3 о б р е т в и я Датчик температуры, выполненный в виде расположенного f корпусе звукопровода, на поверхности которого размещена структура на поверквостных акустических волнах, отяичаяц и и с я тем, что, с целью повышения быстродейств1т и точности измерения температуры, по внеоюему контуру звукопровода выполнены Г-образные выступы, посредством которых он соединен с корпусом.

Изобретение относится к измер тельной технике, а имеиио к устррй ствам контроля температуры с преобразователями поверхностных акустических воли (ПАВ). Для повышения быстродействия и точности измерения температуры по виешнему контуру звукопро-. вода 1 выполнены Г-образные выступы 3, жестко соединяющие его с крьшкой 5 корпуса. Развязка зоны соединения от области звукопровода, где размещена ПАВ-структура 2, позволяет исключить дрейф выходиой частоты датчика. Вакуумирование объема 6 датчика разко замедляет процесс старения ПАВ-структуры 2. 7 ил.

4.

фи9,7

фме.